一种新型分量式钻孔应变仪数据采集单元的设计及应用1

李 涛 陈 征 吴立恒

（中国地震局地壳应力研究所，地壳动力学重点实验室，北京100085）

引言

RZB系列分量式钻孔应变系统主要包括：井下测量探头、信号测量主机、数据记录仪、供电单元4个部分。自上世纪70年代研制至今（欧阳祖熙等，2004；邱泽华等，2004），经过多次测试与改进，目前已逐步投入到中国钻孔应变观测台网的观测中，并获取了大量、连续的地壳应力应变观测数据，为地震预报、地球动力学研究积累了丰富的观测资料。随着电子测量技术的不断进步，新的RZB型分量式钻孔应变仪已完成了测量传感器的数字化设计以及测量单元的井下集成，实现了数字化的测量探头。本文基于嵌入式工业控制核心板EM9260为主控平台，完成了一套新的数据采集系统主控单元设计，实现了新型分量式钻孔应变仪数据的采集、存储、传输以及远程监控；设计了基于24位高精度ADC（模数转换器）板，可实现多通道模拟信号的高精度采集。软件采用 WinCE作为系统软件开发平台，构建了基于C/S结构的远程监控系统，完成了Web server、ftp server以及Socket server设计，可实现设备的远程信息共享以及设备的远程维护。

1 系统设计

本设计根据新的RZB型分量式钻孔应变观测探头的信号特点，采用分立式模块化软硬件设计，分别完成了数字总线信号和多通道高精度模拟信号采集与转换、存储与传输。系统结构框图如图1所示，其主要包括采集模块、主控模块以及电源模块三大部分。

1.1 硬件平台设计

为了简化系统设计，降低开发成本，设计中采用了基于32位的ARM的核心模块EM9260（http：//www. emtronix. com/download/EM9260 data. Pdf，2009）为基础，完成主控模块硬件平台的设计与开发。该核心模块是一款面向工业自动化领域的高性价比嵌入式网络模块，其内核CPU采用工业级品质的AT91SAM9260，模块已经预装正版WinCE实时多任务操作系统，自带10M/100M自适应以太网卡、USB接口、SD卡接口、精简ISA总线接口以及5个标准UART串口。该模块不断接口丰富，其5V/150mA的供电参数也是其它工控模块无法比拟的。目前，新的RZB型分量式钻孔应变观测探头采用RS485总线作为数据的传输与控制。本设计基于核心模块的UART串口完成RS485总线接口，实现应变探头总线信号的采集与控制。

在模拟信号采集单元部分，单独设计了基于24位高精度ADC芯片的多通道模数转换单元。使用高性能多路复用器芯片实现多通道信号切换，完成多通道信号模数转换。中央控制器（MCU）采用STC系列1T高速单片机STC12C5410AD（http：//www. mcu-memory.com/data sheet/stc/STC-AD-PDF/STC12C5410AD. pdf，2006），完成对ADC芯片的控制，以及转换数据的计算与传输。模数转换芯片采用了Analog Devices公司的超低噪声∑-△ADC芯片 AD7190（http：//www. analog. com/static/imported-files/zh/data sheets/AD 7190.pdf，2009），该芯片可广泛应用于电子称、应变计传感器、压力测量、温度测量、医疗以及科学研究仪器中。它除了具有其它高分辨率ADC性能参数外，在增益为1（G=1）的情况下，可达22.5位无噪声分辨率，完全符合设计中的分辨率需求。图2为AD采集板原理框图。

图2 AD采集板原理框图Fig. 2 Schematic diagram of the AD board

为了实现单端正负信号的采集转换，设计中采用了隔离电源设计。高精度AD板采用单独的供电单元，与整个供电系统完全隔离。除了在电源端放置相应的旁路电源外，还在模拟供电电源电路上增加了π型电源滤波器，并使用了钽电容和陶瓷电容结合的方式作为模拟电源去耦电容。另外，在ADC芯片以及多路复用器的数字控制信号线上还增加了合适的小电阻，用以降低数字电路对模拟电路的干扰，并在模拟输入端增加了RC低通滤波器，可降低输入端高频噪声。

1.2 应用程序设计

应用程序设计主要包括AD板的数据采集与通信程序设计以及主控单元应用程序设计两部分。AD采集板的控制芯片为基于 51系列的 STC12C54xx系列芯片，程控软件开发平台采用Keil C51开发环境。程序主要包括AD芯片控制、数据计算、数据传输程序三个部分。程序流程如图3所示。

主控单元是基于安装正版WinCE系统的工控核心模块的硬件平台，支持Embedded Visual C++(eVC)开发环境（汪冰，2005）。主控单元程控软件主要包括：数据采集、格式化存储与传输、人机交换、Socket服务器、Web服务器等软件模块。软件结构框图如图4所示。

图3 AD转换软件流程框图Fig. 3 Flowchart of the AD board

图4 主控单元应用软件结构框图Fig. 4 Structure diagram of the main control units and application programs

本程序采用多线程技术完成数据采集、存储等功能，利用 HTML与 vbScript语言结合COM组件，实现Web服务器，完成远程监控功能，采用C/S结构，实现Socket服务器，完成数据传输与控制功能。

2 主要参数测试及应用

2.1 实验室参数测试

作者对所设计的数据采集器样机的分辨率、线性度等主要参数进行了实验室测试。在开展分辨率测试时，采用10uV的步长完成了输入范围内信号采集分辨率测试，由于篇幅所限，图5只给出了模拟通道第3道在3个电压输入区间的分辨率测试曲线图（采集频率为1Hz），其中，横坐标为信号输入，纵坐标为转换输出，单位均为V。从实际测试曲线结果可以看出，AD转换采集的最小分辨率低于10uV。

图5 AD转换分辨率测试结果Fig. 5 The test results of AD conversion resolution

在开展线性度测试时，采用了步长为0.1V，完成了在输入范围内信号采集线性度测试。图6给出了8个模拟通道的线性度测试曲线，其中，横坐标为信号输入，纵坐标为转换输出，单位均为V。从图6可以看出，在输入范围内，AD采集单元8个输入通道的线拟合标准差（SD值）均小于0.002，具有非常好的满量程线性度。

图6 AD转换线性度测试结果Fig. 6 The test results of AD conversion linearity

经过实验室测试，数据采集系统的主要参数达到了如下预期指标：

（1）模拟信号采集通道：8个；

（2）模拟信号输入范围：-2.5V—+2.5V；

（3）AD板实际转换频率：1Hz；

（4）模拟信号输入阻抗：＞10MΩ；

（5）有效分辨率：＜10uV；

（6）带RS485接口，可完成总线数据采集；

（7）带以太网口，可实现远程数据收集与监控；

（8）功耗：＜2.5W

2.2 实际应用结果

作者将设计的数据采集器应用于中国南北带RZB分量式钻孔应变观测台网，安装到四川省西昌宏模台开展实际运行试验。经过1年多的试验运行，曾经出现操作系统启动失败的情况，后检查发现，是由于WinCE系统在对FAT文件读写操作中存在不足而导致，这是由WinCE系统本身驱动不足造成的。在应用程序中修改了WinCE下采集数据的存储方式，基本上可解决该问题。图7给出了西昌宏模台实际观测长周期分钟数据，从中可以看出，记录到了清晰的固体潮汐。图8给出了西昌宏模台秒数据记录到的2013年4月20日8时02分，四川省雅安市芦山县境内发生的7.0级地震的同震应变地震波。

图7 四川省西昌宏模台钻孔应变观测记录曲线实例Fig. 7 Borehole strain recorded at Hongmo station in Sichuan

图8 四川省西昌宏模台记录到的四川省芦山县7.0级地震的4分量应变地震波Fig. 8 Strain seismic wave plot of MS7.0 earthquake in Lushan, Sichuan

3 结论

经过实验室测试以及实际台站运行结果可以看出，本设计研制的数据采集系统分辨率高、可靠性好、功耗低，可同时采集多通道、高精度数字总线数据及模拟信号，同时能记录到清晰的应变固体潮汐和应变地震波，其软硬件接口以及性能指标符合新RZB型分量式钻孔应变观测系统的需求。其数据存储格式以及传输方式也符合地震前兆规范。基本达到了设计的预期目标，可广泛应用于新型钻孔应变观测系统。

欧阳祖熙，张宗润，舒桂班，2004. 中国西部钻孔应变仪台网工作回顾与前瞻．岩石力学与工程学报，23（23）：4058—4063.

邱泽华，谢富仁，苏恺之等，2004. 发展钻孔应变观测的战略构想. 国际地震动态，（1）：7—14．

汪冰，李存斌，陈鹏等，2005．EVC高级编程及其应用开发. 北京：中国水利水电出版社.